10年课题，面临延毕，科研如何不想“赶时髦”

定格思想飞起的一瞬 分享科研起飞的时光

沈斌（左）2015级直博生，负责物性测量

张勇军（右）2014级硕博连读生，负责材料制备

以浙江大学关联物质研究中心，浙江大学物理系的博士生沈斌和张勇军为共同第一作者的论文 Strange metal behavior in a pure ferromagnetic Kondo lattice 2020年3月5日发表在Nature杂志，该研究首次在纯净的重费米子化合物CeRh₆Ge₄中发现铁磁量子临界点，并且观察到奇异金属行为。

量子相变是目前基础研究的一个热点领域，也是一项重要的科学问题。重费米子体系在量子相变研究领域占据着非常重要的地位。但奇特的是，反铁磁材料的量子临界点可以在很多材料中发现，而铁磁材料量子临界点却难觅踪迹。科学家们普遍认为铁磁量子临界点不存在，而且理论和实验都支持这一种“共识”。我们想做的，就是挑战这种“共识”。

学长没突破，难道我们水平更高？

袁辉球老师一直致力于重费米子研究，在重费米子超导与量子相变方面等方面有很深的造诣。他先前在反铁磁量子相变方面开展过深入研究，有着丰富的经验。他坚信，铁磁量子临界点一定存在，只是需要找到合适的材料体系。

寻找铁磁量子临界点这个项目，袁老师在浙大建立实验室后不久就开始了，近十年来，一直没有放弃自己的目标，抱着“基础研究要甘愿做冷板凳”的决心，在承受着来自多方压力的情况下一直在坚持着。我们是这个项目的第三届学生，在我们接手这个项目时，前面的两届学长们已经做过尝试，虽然取得了一些很好的进展，但没能突破，袁老师说这是一个有难度但是也很有意义的课题。当时，我们的心情是既充满期盼，又内心彷徨。学长们都做不好，难道我们水平更高？相比前面两届的师兄师姐，我们算得上是“幸运儿”。

在探究CeRh₆Ge₄这个体系之前，我们也尝试过其他材料体系，如在铁磁材料体系CeAgSb₂中掺As，但都以失败告终，这导致我们曾几度想要放弃这个项目，而去选择其他比较热门的课题。每当我们出现这样的想法，袁老师总是告诫：“原始创新是长时间的磨练，看准了东西，一定要坚持。不要总想着追逐科研领域的‘时髦风’，要能沉下心来做自己感兴趣的问题”

炼好一炉样品不容易

经过初步尝试，我们很高兴得到了CeRh₆Ge₄单晶样品，但是问题也有很多，这着实给我们泼了一盆凉水。

比如，我们得到的晶体尺寸非常小，样品质量不高。最初生长的几炉样品中，针状晶体的长度仅200—400微米。对于这么小的样品，任何物性测量都是困难的，哪怕是简单的电阻测量。通过测量，我们还发现在CeRh6Ge4单晶中混杂着铋杂质，这给我们的实验造成了很大的困扰。在我们又要打退堂鼓的时候，袁老师又多次召集大家研讨样品制备方案，改进生长条件。虽然原材料Rh十分昂贵（约6000元/克），但是我们还是得到了袁老师的全力支持。在尝试了近二十炉样品，摸索了不同的生长条件后，我们终于长出了品质较高的单晶样品。

但面对压力下的比热测量，样品尺寸再次成为瓶颈问题。压力下的比热测量往往需要几十毫克的样品，而当时我们能挑出来的针状样品才几毫克。功夫不负有心人，又经过了数月的不懈努力，我们终于取得了一些突破，生长出了毫米量级的高质量单晶样品，可以满足不同测量的需求。

“针尖”上的测量

样品生长是一个痛苦的过程，而压力下的物性测量更是一个挑战。量子相变的研究必然会涉及到极低温测量，而当极低温和压力综合在一起后，测量就会变得十分艰难。测量过程中，压力由特制的压力包产生，压力包的内部空间非常有限，操作需要特别温柔，需要极大的耐心，稍有不慎，就会前功尽弃。比如，我们处理的样品尺寸大约是0.5mm*0.1mm*0.1mm，为了测压力下的电阻，我们需要在这么小的样品上先焊上四根金线，然后再连接到压力包的引线上，手稍有晃动，就可能功败垂成。这个操作必须在显微镜下才能完成，数个小时盯着下来，头昏眼花。开始接触这样的操作过程感觉很难受，也很容易犯错。在经历了长时间的艰苦磨练与无数次的失败后，我终于能得心应手地在显微镜下操作。现在，我（沈斌）可以在几分钟内完成一个样品的焊接，在不到一天的时间内完成一个完整压力包的准备工作，并且实验成功率也大大提高。

物性测量也可以说是“险象迭生”。我们的实验主要涉及极端条件下的各种微弱信号检测。接地、真空、热漏等各种因素都可能影响我们的测量，稍有不慎，实验可能得重来，既浪费金钱又耽搁时间。每次测量之前，我们必须不厌其烦地进行一次次完整细致的问题排查；

在博士学习期间，加班成为常态，基本上是宿舍-实验室-食堂三点一线的生活模式，几乎没有周末。去年寒假，我（沈斌）没有回家过年，整个寒假都留在实验做实验改文章。印象特别深刻的是，在大年初四的晚上PPMS系统出现故障，我发现后连夜联系老师排查问题，第二天跟老师们一起更换了压缩机系统，就这样，我们在实验室忙忙碌碌着度过了春节假期。

合作交流至关重要

我们这个项目，牵涉到样品制备、多种物性测量和理论解释，需要具有不同专业技能的研究人员开展合作研究。如果没有一个很好的研究团队，很难做出如此系统而深入的工作，这样研究成果也就很难在Nature上发表。

特别幸运的是，我们成长在关联物质研究中心这样一个优秀的集体。中心的老师都有自己的研究特长，并且相互支持。例如，在CeRh

此外，我们中心有广泛的国际合作，这对我们开展高端研究很有帮助。在这里，我们经常可以同来自世界各地的科学家进行交流和讨论。在本项目中，袁老师根据项目的发展需求，跟德国马普所的Michael Nicklas博士合作测量了压力下的部分比热，理论上得到了罗格斯大学Piers Coleman教授的支持，这些合作研究对完善该项研究起到了重要作用。

参加国际学术交流，对我们扩大视野、展示成果和寻找新的合作都很重要。在博士学习期间，我们有幸多次参加国际会议。例如，2017年的国际高压会议，沈斌同学应邀汇报了该项工作的前期研究进展，获得了剑桥大学Malte Grosche教授和德国马普所Michael Nicklas博士的高度评价。2017年和2019年，沈斌同学也因此两次访问剑桥大学，开展CeRh

面对诱惑，导师告诉我们一件事——

从接手这个项目，到论文投稿和接收，这是一个充满未知和挑战的过程。在实验早期，我们经历了无数的失败与挫折，加剧了我们内心的紧张，让我们感到迷惘和沮丧，特别是看着某些领域隔三岔五地发文章，我们的内心就更挣扎了。不过，庆幸的是，我们挺过来了，而且笑到了最后。

相比很多其他领域，重费米子研究的门槛比较高，研究条件苛刻，对物理的理解也更复杂，这不可避免地会导致研究周期长，也给我们学业带来压力。为了毕业，有的同学会放弃研究的系统性，倾向于发表阶段性的研究成果。但这对于一项重要的研究成果来说，是很致命的。袁老师说，他先前就碰到过类似问题，深受其害。多年前，他在一篇会议文章上发表了一项工作的初步相图，结果后来投Nature时，编辑就以主要结果已发表为由，直接将论文拒了。在探究CeRh₆Ge

虽然袁老师一直说这是一件很好的工作，但对能否顺利在Nature发表，谁心里都没底。在等待审稿意见的过程中，我们内心充满着迷茫和对未知的不安。常常在想，如果Nature不能接收，我们又要转投其他杂志，那我们还能否在2020年顺利毕业又成了一个问题，又要面临二次延毕…… 带着这样的迷惘，我们在焦急中等待了数月，终于等来了三位审稿人一致的积极评价，他们都表示这是一项非常重要的工作。最后，我们的论文于2019年12月被Nature正式接收。而此时的我们，终于体会到了“守得云开见月明”！后来袁老师问我们，延毕是否值得？现在看来，我们还是做了一个正确的决定。

回想这段研究历程，如果没有袁老师将近十年的执着和坚持，如果我们中途更换课题，如果我们将阶段性成果分期发表，我们都不会有现在这样的成就感。有时前方的道路真的很难去选择，但在我们迷惘，找不到人生目标的时候，我们要记起我们的前辈，我们的老师都经历过这些阶段，他们曾经沧海。所以我们要积极主动地和他们去交流，听听过来人的意见，汲取灵感。我们实验室每周都会定期组织学生和老师一起去食堂就餐，以此加深老师对学生的了解，也给学生提供了一个解疑答惑的机会，无论是科研上的，还是关于人生的。我们自己也要善于去寻找解决问题的途径，要多读文献，多思考，多交流。

一路走来，我们十分感谢袁老师一直以来对我们的鼓励，袁老师不光是我们的科研导师，也是我们的人生导师，还要感谢中心的其他老师、伙伴的支持和帮助。

我们实现了我们的梦想，打破了最初的“共识”。之后，这只“黑天鹅”绝不是结束，而是新的开始。希望我们的研究成果能为研究铁磁量子相变、揭示长期困惑人们的奇异金属行为开辟新的方向。

---纳米纤维素找北方世纪---

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